王巖巖 鄒麗新 蔣曉慧 錢敏

摘? 要：針對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的兩門課程——傳感器和單片機(jī)——的教學(xué)現(xiàn)狀，圍繞適用于應(yīng)用型本科人才的課程融合改革，提出了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和考核方式的優(yōu)化措施，為提升學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：傳感器;單片機(jī);課程融合;測(cè)控技術(shù)與儀器

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）03-0122-03

Abstract： In view of the teaching current status of two major courses of Sensor Technology and Micro-controller in the major of Measurement and Control Technology and Instrument， we proposed several optimization measures on teaching content， methods， experimental content and test methods， which mainly focus on the curriculum integration reform for applied undergraduate talents， and lay a good foundation for the improvement of students' comprehensive professional quality.

Keywords： Sensor; Micro-controllers; curriculum integration; Measurement and Control Technology and Instrument

一、概述

單片機(jī)與傳感器課程是測(cè)控技術(shù)與儀器（測(cè)控）專業(yè)開設(shè)的兩門核心專業(yè)課。其中，傳感器如同人的皮膚和五官來感知外部信息，而單片機(jī)則似人的大腦來處理傳感器所感知的信息并對(duì)之做出相應(yīng)的反饋，兩者知識(shí)的融合與運(yùn)用促進(jìn)了工業(yè)過程測(cè)量與控制的飛速發(fā)展。然而，在實(shí)際的專業(yè)教學(xué)過程中，這兩門課程存在教學(xué)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立、理論化教學(xué)過重、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)占據(jù)主導(dǎo)地位、實(shí)踐應(yīng)用性欠缺等問題[1-2]。因此，二者的課程融合研究對(duì)于提升測(cè)控專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)以及培養(yǎng)應(yīng)用型本科學(xué)生的實(shí)踐能力具有重要意義[3-4]。

二、課程現(xiàn)狀分析

測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)主要培養(yǎng)具備測(cè)量與控制方面的基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用能力，能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門的測(cè)量與控制領(lǐng)域內(nèi)從事有關(guān)技術(shù)、科技開發(fā)等方面的工程技術(shù)人才。然而，目前高校在該專業(yè)課程設(shè)置中存在諸多問題，不利于上述能力的培養(yǎng)，主要包括：

（一）理論化教學(xué)過重，課程內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立

首先，傳感器作為測(cè)量控制系統(tǒng)的前端設(shè)備，主要對(duì)待測(cè)信息進(jìn)行感知。在課程教學(xué)過程中，教師主要講述各類基礎(chǔ)傳感器如電阻式、電容式、電感式、熱電式、光電式、壓電式等傳感器的工作原理、測(cè)量電路以及部分簡(jiǎn)單案例。其次，單片機(jī)作為測(cè)量控制系統(tǒng)的大腦，主要對(duì)已感知的信息進(jìn)行處理并輸出相應(yīng)控制信號(hào)去控制對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作出反應(yīng)。在實(shí)際教學(xué)過程中，教師主要講述單片機(jī)的組成、指令系統(tǒng)、中斷、串口以及A/D轉(zhuǎn)換等內(nèi)容。最后，兩門課程在學(xué)時(shí)安排上均存在“理論課時(shí)居主，實(shí)驗(yàn)課時(shí)居輔”的問題，不利于學(xué)生綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)。此外，在教學(xué)過程中，教師只專注于所授課程的內(nèi)容，未充分考慮兩課程的相關(guān)性，從而使兩門課程內(nèi)容相互割裂，學(xué)生亦只學(xué)到模塊化的知識(shí)，并不能將二者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合并投入實(shí)踐運(yùn)用。

（二）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)占據(jù)主導(dǎo)地位

首先，在傳感器課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置上，其側(cè)重于鞏固所授內(nèi)容的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，包括應(yīng)變片、差動(dòng)式電容傳感器、差動(dòng)螺管式電感傳感器、熱電偶、熱電阻、光敏電阻等。實(shí)驗(yàn)所用儀器是浙大科儀的一體式設(shè)備，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中僅能通過設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)來獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)而分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并不了解所用傳感器的具體參數(shù)、適用范圍以及對(duì)應(yīng)電路等信息，從而難以具備根據(jù)實(shí)際問題選擇合適傳感器的能力。其次，在單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置上，其主要通過仿真的手段實(shí)現(xiàn)部分功能，例如跑馬燈、按鍵控制燈的亮滅、數(shù)據(jù)段的移動(dòng)、數(shù)據(jù)的排序等。通過基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)課程的培訓(xùn)，學(xué)生僅僅增強(qiáng)了對(duì)指令系統(tǒng)以及部分接口的了解，并不能真正提升實(shí)際應(yīng)用能力。此外，兩門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互獨(dú)立，即便該課程設(shè)置在同一學(xué)期，學(xué)生亦很難通過上述基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)將兩門課程的內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)整合。

綜上所述，為實(shí)現(xiàn)兩門課程的有效融合，需從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及考核方式等方面進(jìn)行優(yōu)化改革。

三、基于課程融合的教學(xué)改革

（一）教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

推陳出新，結(jié)合應(yīng)用，豐富原有內(nèi)容。首先，傳感器課程在授課內(nèi)容上需進(jìn)行細(xì)化和補(bǔ)充，即在原來基礎(chǔ)上引入工業(yè)中常用傳感器知識(shí)，分析具體傳感器類型及其適用場(chǎng)合和對(duì)應(yīng)電路，如針對(duì)不同的測(cè)溫場(chǎng)合選擇合適的測(cè)溫傳感器。其次，單片機(jī)課程在授課過程中可引入具體案例來豐富抽象的理論知識(shí)。此外，在講授單片機(jī)基本功能的基礎(chǔ)上補(bǔ)充對(duì)傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)的處理部分，如對(duì)溫度傳感器DS18B20輸出數(shù)據(jù)的處理?？山Y(jié)合具體案例，讓兩門課程內(nèi)容互通融合，從而加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。

（二）教學(xué)方式優(yōu)化

采用多樣化教學(xué)手段，綜合提升教學(xué)質(zhì)量。除了傳統(tǒng)的板書和PPT教學(xué)，可在授課過程中引入案例教學(xué)，例如：針對(duì)復(fù)雜或體積較大的傳感控制系統(tǒng)如滾柱直徑分揀系統(tǒng)等，可以引入視頻實(shí)物教學(xué);而針對(duì)簡(jiǎn)單易攜的傳感控制系統(tǒng)如尋軌小車等，則可將實(shí)物帶入課堂進(jìn)行講解。值得注意的是，案例式教學(xué)內(nèi)容囊括了整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)，其既包含了傳感器的選擇和使用，也涉及到單片機(jī)對(duì)信號(hào)的處理以及對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋。該方式有助于整合學(xué)生所學(xué)知識(shí)，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容優(yōu)化

更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)部分?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)固不可缺，其有助于學(xué)生鞏固已有課程知識(shí)，但綜合性實(shí)驗(yàn)則更有利于兩門課程知識(shí)的整合和運(yùn)用。綜合性實(shí)驗(yàn)主要包括傳感器的選擇和應(yīng)用、單片機(jī)的應(yīng)用、軟硬件設(shè)計(jì)和分析以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理和測(cè)量參數(shù)的校準(zhǔn)等，旨在提升學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力。表1為筆者列舉的部分參考性綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)置內(nèi)容[5]。

綜合性實(shí)驗(yàn)的引入可以采用兩種方式：（1）在原有學(xué)

時(shí)基礎(chǔ)上增加額外學(xué)時(shí)，即加大實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù);（2）教師在課堂上對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述，學(xué)生利用課余時(shí)間結(jié)合所學(xué)知識(shí)獨(dú)立或分組完成，課堂上再利用部分時(shí)間討論課下出現(xiàn)的問題并共同研討解決的方法。

（四）考核方式優(yōu)化

完善考核制度，避免期末獨(dú)大。現(xiàn)有考核方式主要以期末考試為主，平時(shí)成績(jī)?yōu)檩o，導(dǎo)致很多學(xué)生平時(shí)不學(xué)習(xí)，期末考試突擊過關(guān)，與學(xué)院的培養(yǎng)初衷相背離。因此，對(duì)于部分知識(shí)模塊較獨(dú)立的課程如傳感器，可以引入過程化考核方式，從而督促學(xué)生養(yǎng)成日常學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。對(duì)于知識(shí)模塊間聯(lián)系緊密且應(yīng)用性較強(qiáng)的課程如單片機(jī)，可以適當(dāng)擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)成績(jī)占比即增加綜合性實(shí)驗(yàn)部分，通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)元器件的選擇、電路板焊接、軟硬件測(cè)試等各方面的表現(xiàn)來綜合給分。

四、教學(xué)反饋

首先，在教學(xué)內(nèi)容融合方面，本院將傳感器和單片機(jī)課程引入測(cè)控專業(yè)大三上學(xué)期。教學(xué)過程中，教師通過基礎(chǔ)知識(shí)講解結(jié)合實(shí)際案例引入的互補(bǔ)型授課模式，提升了課程的趣味性和實(shí)用性。同時(shí)，授課過程中配合基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的展開，加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。其次，在上述教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，該專業(yè)于大三下學(xué)期引入了綜合性實(shí)驗(yàn)。該綜合性實(shí)驗(yàn)采用分組模式，由教師給出實(shí)驗(yàn)題目或?qū)W生根據(jù)興趣自行命題。接著，學(xué)生根據(jù)題目要求選擇所需傳感器以及其它電子元器件，設(shè)計(jì)相關(guān)電路，最終以作品的形式予以呈現(xiàn)。圖1所示為由學(xué)生自主設(shè)計(jì)的基于DS18B20溫度傳感器以及STC89C52單片機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)所設(shè)范圍內(nèi)的環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦超出設(shè)定閾值則報(bào)警燈亮。如圖所示，此時(shí)溫度設(shè)定范圍為19～24℃，而實(shí)際環(huán)境溫度為26.06℃，故下方報(bào)警燈點(diǎn)亮。

綜上可以看出，綜合性實(shí)驗(yàn)的引入可以有效鞏固學(xué)生對(duì)兩門課程基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料和產(chǎn)品手冊(cè)、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)以及調(diào)試的能力，進(jìn)而提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

五、結(jié)束語

測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的兩門專業(yè)課程——單片機(jī)和傳感器對(duì)于學(xué)生綜合實(shí)踐能力的提升非常重要，將兩門課程有機(jī)融合，不僅可以鞏固學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握，還能鍛煉學(xué)生的思維方式和動(dòng)手能力。本文從兩門主干課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及考核方式分別提出了合理化的建議，可有效提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，符合用人單位對(duì)該專業(yè)學(xué)生知識(shí)和能力水平的要求。

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